Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
|
4.2.7Тепловые потери дуговых печей 4.2.7.1 Тепловые потери через футеровку и с охлаждающей водой Тепловая работа футеровки оказывает сильное влияние на условия теплообмена в рабочем пространстве и расход электроэнергии. Поверхностная плотность результирующего теплового потока q pe3 , проходящего через внутреннюю тепловоспринимающую поверхность футеровки печи и расходуемого на изменение энтальпии W ак , меняется по ходу электроплавки, так как испытывают резкие колебания с большой скоростью и в широких пределах плотность падающего потока излучения электрических дуг и температура внутренней поверхности Т в футеровки. Однако эти изменения из-за их скоротечности и малой теплопроводности огнеупорных материалов распространяются в слой футеровки лишь на относительно небольшую глубину (рис. 4.1)[9]. На ДСП малой мощности с продолжительностью цикла плавки τ ц ≈ 4 - 5 ч эта глубина составляет 150- 200 мм, а на мощных ДСП при τ ц < 2 ч - не более 60-90 мм. Поскольку футеровка имеет значительно большую толщину, температуры ее наружной теплоотдающей поверхности Т 0 и прилегающих к ней слоев остаются практически постоянными в течение всей плавки, как и тепловые потери в окружающую среду. Поверхностная плотность потока определяется значениями Т 0 свода, кожуха и днища ДСП, которые мало зависят от емкости ДСП, но значительно увеличиваются по мере износа футеровки в ходе ее кампании. По измерениям, проведенным на ДСП емкостью от 5 до 200т, значения Т 0 для свода составляют 150 - 400, для кожуха 80 - 350 и для днища 60 - 200°С. Соответствующие удельные значения теплового потока с наружной поверхности при температуре окружающего воздуха 20°С составляют: для свода 3-15, для кожуха 0,8 - 10 и для днища 0,4 - 3 кВт/м 2 Следует отметить, что за счет фильтрации газов через неплотности футеровки потери тепла через свод, не имеющий металлического кожуха, могут значительно превысить приведенные значения. Потери тепла через свод и стены значительно возрастают при работе ДСП в конце камлании при сильно изношенной футеровке. Приведенные данные объясняют сравнительно небольшое влияние W акк на тепловую работу ДСП, несмотря на весьма высокие абсолютные значения этой величины. Во время плавильной кампании величина энтальпии футеровки ∆Н ф испытывает циклические колебания около своего среднего значения, связанные с повторяющимися изменениями температуры рабочего пространства по ходу каждой плавки (см. рис. 4.15). При этом средние значения ∆Н ф на смежных плавках остаются практически постоянными и постепенно уменьшаются только по мере износа футеровки стен и свода в ходе кампании ДСП. 333 Циклические колебания ∆Н ф практически не сказываются на тепловом балансе всей плавки, но существенно влияют на частные тепловые балансы ее отдельных периодов. Так, за время заправки и завалки шихты тепловые потери практически целиком компенсируются за счет снижения энергии, аккумулированной футеровкой W aкк причем около 33% этого тепла поглощает шихта, которая нагревается таким образом в среднем примерно на 100°С. Футеровка продолжает отдавать тепло и в начале периода расплавления (кривая 1, рис. 4.15). После открытия дуг начинается процесс повышения температуры футеровки (см. рис. 4.15) и роста W aкк . В окислительный период футеровка поглощает около 19% всего количества выделяющегося в рабочем пространстве ДСП тепла, а в восстановительный период - около 17%. Значения W aкк в конце и в начале плавки совпадают. Рис. 4.15. Распределение температур по толщине футеровки δ СТ в различные периоды плавки: 1 ,2, 3 - начало, середина, конец плавления; 4 - выпуск; 5 - стационарный участок кривой распределения 5 3 1 Т В ,К 1700 1300 900 500 0 δ ст 2 4 334 Таким образом, в балансовых расчетах и особенно при оценке КПД источников энергии в различные периоды плавки по полезному расходу тепла W м необходимо учитывать изменения W aкк Потери тепла с теплоотдающей поверхности рабочего пространства ДСП, а следовательно, и расход электроэнергии можно сократить путем увеличения толщины слоя футеровки, применения тепловой изоляции, уменьшения площади теплоотдающей поверхности и длительности цикла плавки τ ц Для футеровки стен и сводов отечественных ДСП применяют преимущественно магнезитохромитовые огнеупоры. Практика показывает, что увеличение толщины этих элементов футеровки нерационально, так как при этом значительно увеличиваются скорость износа и удельный расход огнеупоров. Тепловая изоляция стен и сводов ДСП также не получила распространения. Обычно такая изоляция приводит к увеличению температур в рабочем слое футеровки и резкому падению ее стойкости, особенно на крупных ДСП. Потери из-за простоев ДСП на ремонт футеровки намного превышают экономию от снижения расхода электроэнергии W э . Поэтому тепловая изоляция стен и сводов ДСП, как правило, является экономически невыгодной. Это положение не распространяется на конструкцию подины ДСП. Тепло, теряемое через подину, отнимается от нагретой и расплавленной шихты. Таким образом теряется часть полезного тепла W м согласно (4.15), на восполнение которого приходится затрачивать значительно больше электроэнергии по сравнению с потерянным количеством тепловой энергии. Так, в период нагрева жидкой ванны на компенсацию тепловой энергии, потерянной через подину необходимо дополнительно израсходовать почти вдвое больше электрической энергии. Поэтому подину теплоизолируют от металлического днища слоями асбеста, шамотного порошка и шамотного кирпича, хотя это и приводит к некоторому снижению стойкости рабочего слоя футеровки и дополнительным затратам на его заправку и ремонты. Площадь теплоотдающей поверхности S то рабочего пространства зависит от его геометрической конфигурации и емкости ДСП m o . С увеличением емкости удельная (на 1 т) площадь теплоотдающей поверхности S то уменьшается по затухающей кривой (рис. 4.16). Анализ этой кривой показывает, что на ДСП емкостью менее 50-60 т. удельные тепловые потери через футеровку W тпф резко возрастают, что увеличивает долю W тпф в энергетическом балансе ДСП согласно (4.15) и удельный расход электроэнергии W э При увеличении емкости ДСП свыше 50 - 60 т значения S то изменяются мало и зависимость W э от m o выражена относительно слабо. 335 Наибольшее влияние на тепловые потери крупных ДСП W тпф оказывает длительность плавки. В отличие от потерь тепла с отходящими газами W тпг удельные потери W тпф изменяются примерно прямо пропорционально времени плавки . Поэтому при сокращении τ ц на современных мощных ДСП емкостью 100-150 т до 1,0-1,5 ч доля W тпф в тепловом балансе снижается до весьма малых значений. В связи с неудовлетворительной стойкостью огнеупоров на крупных мощных ДСП и ДСППТ футеровку заменяют водоохлаждаемыми панелями. Несмотря на увеличение плотности теплового потока, снимаемого с водоохлаждаемых поверхностей, по сравнению с плотностью теплового потока через футерованные поверхности расход электроэнергии существенно увеличивается только на печах небольшой емкости, когда потери тепла с охлаждающей водой значительно возрастают из-за большого значения удельной площади теплоотдающей поверхности S то (см. рис. 4.2), либо крупнотоннажных маломощных ДСП при относительно большой длительности плавки. На крупных мощных ДСП, на которых значения S то , как и доля W тпф в тепловом балансе, весьма малы, W э при замене футеровки стен и свода водоохлаждаемыми панелями изменяется слабо. Это объясняется тем, что внедрение водоохлаждаемых панелей сопровождается не только увеличением W тпв , но и снижением ряда других потерь тепла и электроэнергии. 4.2.7.2 Тепловые потери с отходящими газами В энергетическом балансе ДСП (4.3) потери тепла с отходящими газами W тпг составляют в среднем 15-17 %. Кроме того, удаление и очистка газов требуют дополнительных энергетических затрат, увеличивающих расход электроэнергии на выплавку стали на 10-20 %. Доля стоимости систем газоудаления в стоимости ЭСПЦ составляет 10 - 15 %. Характерной особенностью ДСП являются резкие колебания мощности тепловых потерь с отходящими газами Р тпг по ходу плавки. Значительное влияние на Р тпг оказывает выделение химической энергии W х при окислении углерода шихты. При использовании ТКГ и интенсивной подаче кислорода в слой Рис. 4.16. Зависимость удельной теплоотдающей поверхности ДСП от вместимости 336 шихты в период плавления наибольшие значения Р тпг (около 20 МВт) имеют место в начале плавки. Это объясняется тем, что при таком ведении процесса окисление углерода происходит по ходу плавления и к концу этого периода в основном заканчивается. Общее количество тепла, теряемого с отходящими газами за время плавки, W тпг сравнительно мало зависит от распределения Р тпг ·. Доля этой величины в энергетическом балансе ДСП возрастает при сокращении цикла плавки с увеличением вместимости и мощности ДСП, расходов топлива и кислорода. На печах небольшой и средней мощности емкостью 3-50 т W тпг в период плавления составляет 6—8%, на 200-тонных ДСП мощностью 60 MB*А- 21—22%, а на высокомощных (75 MB*А) 100-тонных ДСП при длительности плавления около 1 ч W тпг достигает 25% [3]. 5 СПЕЦИАЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 5.1 Плазменные нагревательные устройства 5.1.1 Принцип действия и области применения плазменного нагрева Низкотемпературная плазма — газообразное вещество, содержащее положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы и электроны. Плазма квазинейтральна, т. е. в достаточно большом объеме электрические заряды обоих знаков компенсируют друг друга [31]. Плазма называется термической или изотермической, если она находится в состоянии термодинамического равновесия. В этом случае плазма имеет определенную температуру, одну и ту же для всех ее компонентов. В изотермической плазме каждый прямой элементарный процесс находится в равновесии с обратным ему процессом. Характеристики такой плазмы полностью определяются плазмообразующим веществом и двумя параметрами — температурой и давлением. Получить в лабораторных или промышленных условиях изотермическую плазму довольно сложно, и на практике приходится иметь дело с плазмой, находящейся в состоянии локального или частичного локального термодинамического равновесия. В плазме, находящейся в этом состоянии, нарушается баланс процессов фотоионизации и фоторекомбинации частиц — число актов испускания фотонов превышает число актов поглощения. Остальные элементарные 337 процессы приблизительно сбалансированы. Параметры такой плазмы определяются ее составом и локальной температурой, хотя электронная температура всегда будет несколько превосходить температуру тяжелых ча- стиц. В состоянии локального термодинамического равновесия находится плазма сильноточных дуг при нормальном давлении. Разницу электронной и ионной температур можно оценить по формуле где Те, Tg — температуры электронов и тяжелых частиц; m e , e 0 , λ е —масса, заряд и длина свободного пробега электронов; М — масса иона; к — достоянная Больцмана; Е – напряженность электрического поля. Для сильноточных дуг (Те—Tg)/Te составляет несколько процентов. При частичном локальном равновесии состояние плазмы характеризуется двумя температурами — электронной Те и ионной Ti (последняя примерно равна температуре нейтральных атомов Tg). В плазменных нагревательных устройствах достигается температура (10—20)·10 3 К (для плазмы, находящейся в состоянии локального термодинамического равновесия) ; в случае неравновесной (находящейся в частичном равновесии плазмы) электронная температура может достигать (30—50) • 10 3 К. Образование заряженных частиц происходит в основном за счет термической ионизации, нагрев газа — за счет энергии, выделяющейся при прохождении через газ электрического тока. Устройства, позволяющие стационарно получать плазму с указанными выше температурами, называются плазмотронами. По своему назначению плазмотроны могут быть разделены на два типа: Первый тип — это плазмотроны, в которых полезным является только тепло, переданное потоку плазмы. К ним относятся высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, а также электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока с дугой, горящей между электродами плазмотрона. В дальнейшем мы их будем называть струйными плазмотронами. В них дуга горит внутри плазмотрона, рабочие электроды являются элементом конструкции и внутри плазмотрона замыкается электрическая цепь. Эти плазмотроны используются для нагрева газов. Второй тип — это плазмотроны, в которых полезным теплом является и тепло, выделяемое в анодном пятне (при переменном токе — в одном из опорных пятен) дуги, а также, в большей или в меньшей степени, энергия излучения. В этих плазмотронах одно из опорных пятен дуги вынесено на нагреваемое изделие, которое таким образом включается в электрическую цепь. Такие плазмотроны мы в' дальнейшем будем называть плавильными. Оба эти названия достаточно условны. Так, плазмотроны, используемые для 338 резки металлов, для нагрева ленты и проволоки по схеме включения, от- носятся к «плавильным» [31]. В области металлургии плазменный нагрев используется для плавки и восстановления металлов, получения тонкодисперсных порошков, сфероидизации порошков, плавки керамики и ряда других процессов. Существуют три типа плазменных плавильных печей: печи для плавки в керамическом тигле; печи для плавки в кристаллизаторе; печи для плавки в гарнисаже. Печи с керамическим тиглем применяются главным образом для плавки сталей и сплавов на никелевой основе и переплава легированных отходов. Обычно в качестве плазмообразующего газа используется аргон, но в зависимости от требований технологии состав газа может меняться, и так как печь в отличие от обычной дуговой может быть хорошо уплотнена, в ней может поддерживаться любая атмосфера. В этом, а также в отсутствии графитовых электродов и исключении возможности науглероживания металла основное отличие плазменной печи от открытой дуговой, что обеспечивает ей следующие преимущества: а) сокращение расхода легирующих элементов, возможность переплава отходов легированных сталей с высоким усвоением легирующих: Mn; Cr; Ni; Mo до 96— 100% и Ti до 60—80%; б) возможность выплавки малоуглеродистых сталей и сплавов; в) возможность выплавки азотированных сталей с использованием газообразного азота (в этом случае в состав плазмообразующего газа вводится азот); г) улучшение условий труда и существенное уменьшение загрязнения окружающей среды. Плазменные печи работают почти бесшумно и выброс газов и пыли в атмосферу незначителен [31]. Стоимость переплава в плазменных печах в настоящее время выше, чем в открытых дуговых, вследствие большого расхода энергии, вызванного большим количеством водоохлаждаемых узлов, а также значительным, потреблением аргона. Плазменные печи для плавки в кристаллизаторе являются переплавными печами. В отличие от вакуумных дуговых печей с расходуемым электродом у них нежесткой связи между мощностью, вводимой в печь, н скоростью плавки, т. е. они, как и электронно-лучевые, позволяют выдерживать жидкую ванну сколь угодно долго и применимы: для плавки практически всех металлов — сталей, титана, бериллия, ниобия, молибдена, тантала; для плавки сплавов с легко испаряющимися добавками; для переплава отходов реакционных металлов, в том числе титана. Могут 339 использоваться в очень широком диапазоне давлений — от 0,3— 0,5 МПа до 10 -1 Па. При этом вакуумные плазменные печи, работающие при давлении 10 2 —10 -1 Па, в отличие от электронно-лучевых печей не боятся резких изменений давления связанных с газовыделением из расплавляемой шихты. В связи с более высоким давлением в этих печах меньше потери на испарение, чем в электронно-лучевых. Помимо того, они работают на низких напряжениях и не требуют биологической защиты. Могут быть созданы печи, в которых давление меняется по ходу плавки в диапазоне 10 5 —10 3 Па. Основными недостатками плазменных печей с кристаллизатором являются: меньший КПД (по сравнению с электронно-лучевыми печами); трудности в достижении больших мощностей, так как мощность может быть увеличена только путем увеличения тока; эрозия катода, в результате которой катодный материал может попасть в ванну печи и загрязнить ее (это особенно существенно для вакуумных печей с вольфрамовым электродом). В зависимости от типа плазмотрона печи могут работать как на постоянном, так и на переменном токе [31]. Печи для плавки в гарнисаже предназначены дле получения фасонного литья из сталей, жаропрочных сплавов, тугоплавких и высокореакционных металлов. Эти печи могут выполняться на широкий диапазон давлений. Их достоинства — высокая чистота металла, возможность плавки кусковой шихты и отходов. Печи с плазменным нагревом используются и для плавки керамики. Их достоинство — высокая чистоте продукта и возможность получения керамического литья. Для целей восстановления металлов из окислов используются как плавильные, так и струйные плазмотроны. При карботермическом восстановлении процесс идет в твердой и жидкой фазах. В этом случае используются печи, аналогичные печам для плавки в гарнисаже или в кристаллизаторе, но с мощной откачной системой Шихтой служат гранулы или таблетки из окисла металла и углерода. Восстановленный металл получаете: в виде компактного слитка. При восстановлении водородом или конвертированным газом используются струйные плазмотроны, создающие поток восстановительной плазмы. Восстанавливаемый материал в виде порошка вводится в этот поток. Конечный продукт получается в виде порошка Существуют проекты и ведутся исследования по использованию струйных плазмотронов для восстановления металла в печах типа доменных. При этом основные преимущества, которые обеспечивает плазменный нагрев по сравнению с существующей технологией, является увеличение производительности и повышение качества продукции [31]. 340 В плазмохимии в промышленных масштабах реализован целый ряд процессов, количество которых с каждым годом растет. В их числе: получение ацетилена из природного газа, а также из жидких предельных углеводородов; получение пигментной двуокиси титана; получение сверхчистых веществ, в том числе для полупроводниковой техники; получение тонких пленок в радиоэлектронике и др. Основными преимуществами плазмохимической технологии являются: высокие скорости процессов и, следовательно, меньшие габариты технологического оборудования; возможность использования трудноперерабатываемого, но широкодоступного сырья; одностадийность большинства плазмохимических процессов; легкая управляемость процессом; малая чувствительность к качеству исходного сырья. В тех случаях, когда масштаб производства невелик, но требуется очень высокая чистота продукта, используются безэлектродные высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, в которых отсутствует загрязнение плазмы (и соответственно продукта) материалом электродов. Если к чистоте плазмы не предъявляется жестких требований или если масштабы производства велики и требуются мощности в тысячи киловатт, используются дуговые плазмотроны постоянного и переменного тока. |